Топливные системы с кулачковым приводом впрыскивающих плунжеров.

Общие сведения

Электронные устройства и компоненты находят широкое применение на современных колесных и гусеничных транспортных средствах в системах автоматического управления, контроля, сигнализации, блокировки, строенной и внешней диагностики, причем, по насыщенности электронно-компьютерным оборудованием современный автомобиль приближается к авиационным лайнерам. Достаточно назвать приборы системы навигации, автоматизации вождения и парковки, бортовую ЭЦВМ (CarPC).

Доля дизелей колесных и гусеничных транспортных средств, оснащенных электронным управлением, в настоящее время достигает 30% от выпуска.

В менее совершенных топливных системах электронное управление лишь заменяет механические регуляторы. Более многочисленную группу современных систем, созданных на базе традиционных ТНВД, составляет аппаратура с независимым электронным управлением подачей и опережением впрыска. Наконец, были внедрены в массовое производство аккумуляторные системы Common-Rail (CR), максимально расширившие возможности управления рабочими процессами дизеля, например за счет управления давлением и характеристикой впрыска.

Перечень функций электронного управления дизелей следующий:

- регулирование цикловой подачи топлива q_ц в соответствии с заданным режимом по частоте вращения n_дв и эффективной мощности N_e двигателя;

- положительная коррекция (увеличение) q_ц при пуске холодного дизеля и при повышении температуры томлива в насосе;

- отрицательная коррекция (уменьшение) q_ц при снижении давления окружающего воздуха p_о или давления наддува р_к, росте окружающего t_о или наддувочного t_к воздуха;

- оптимальное регулирование угла опережения впрыска топлива φ_{опер.впр.} и характеристики подачи q_ц вплоть до организации двухфазного (ступенчатого) впрыска;

- оптимальное регулирование рециркуляции отработавших в дизеле газов с целью снижения эмиссии окислов азота NO_X;

- оптимальное регулирование турбокомпрессора наддува;

- отключение цилиндров и циклов на частичных режимах нагружения двигателя;

- выключение топливоподачи при торможении двигателем, на принудительном холостом ходу двигателя при движении накатом или под уклон, столкновении или опрокидывании транспортного средства;

- выполнение самодиагностики элементов дизеля и системы электронного управления с замещением отказавших элементов.

С учетом того, что СУ подачей все чаще становится составляющей СУ всего дизеля или автомобиля, ее функции значительно расширяются: управлению подлежат также свечи накаливания, газораспределения, климатическая установка, АБС и многое другое. Целесообразность объединения СУ усматривается, в частности, в оптимальности сопряженных процессов в зависимости от тех же параметров, что и ТП.

Таким образом, современная ТПА использует электронное управление. При этом обеспечивается повышенные давления впрыска: с роторными ТНВД до 160…180 МПа, насос-форсунках и индивидуальных ТНВД до 200 МПа, в Common Rail первого поколения до 135, а второго поколения — до 160 МПа. Если долгое время последние не могли найти применения, то ныне можно услышать мнение об их безальтернативности. В действительности, CR имеет ряд неустранимых недостатков (постоянное высокое давление в распылителе и арматуре, низкий КПД). Каждая из упомянутых систем имеет достоинства и недостатки и пока нет оснований, чтобы считать какую-либо из них безперспективной. Наряду с расширением возможностей электронного управления ставится вопрос о целесообразности повышения давления впрыска до 1800 МПа.

Для современных дизелей с электронным управлением характерно развитое управление ТА.

ТА дизельных ДВС предназначена для отмеривания дозы топлива q_ц, величина которой зависит от развиваемой мощности (нагрузки), и подачи этой дозы в определенный момент, синхронно с вращением КВ, в мелкораспыленном состоянии через сопло форсунки в рабочий цилиндр двигателя.

Корректирование q_ц производится по измеренному термоанемометром расходу воздуха двигателем.

Мелкодисперсное распыливание топлива обеспечивается за счет высокой скорости его истечения под действием высокого давления, величина которого для современных перспективных ТС дизелей составляет 200 МПа (2000 кгс/см², или 2000 бар) и выше.

Различают два типа ТС дизелей:

- ТС с раздельной ТА, когда ТНВД и форсунка присутствуют в ТС в виде двух отдельных узлов, соединенных топливопроводом ВД — форсуночной трубкой;

- ТС с нераздельной ТА — насос форсунки и аккумуляторные ТС.

В аккумуляторных ТС форсунка выполняет все названные выше функции, кроме создания высокого давления.

В зависимости от способа регулирования дозы топлива q_ц различают:

- ТНВД с переменной величиной хода плунжера:

- ТНВД с постоянным ходом плунжера и переменным наполнением плунжерного пространства насоса дросселированием потока топлива НД между рабочими ходами насоса;

- ТНВД с постоянным ходом плунжера клапанные;

- ТНВД с постоянным ходом плунжера золотниковые;

- ТНВД с постоянным ходом плунжера клапанно-золотниковые.

Привод плунжера может быть кулачковый и силовой, с использованием энергии газа или жидкости высокого давления, либо электроэнергии.

По конструктивным особенностям кулачковые ТНВД можно классифицировать следующим образом:

- ТНВД с индивидуальными насосными секциями;

- ТНВД блочные с рядным или барабанным расположением секций (в барабанных ТНВД плунжеры приводятся от кулачка с аксиальным выступом, называемым торцовой шайбой);

- распределительные ТНВД с обслуживанием от одной насосной секции нескольких цилиндров ДВС.

Распределительные ТНВД в свою очередь могут быть:

- с радиальным возвратно-поступательным перемещением плунжера и с вращением его вокруг оси для распределения топлива;

- то же, но с аксиальным возвратно поступательным перемещением плунжера;

- роторными.

В роторных ТНВД распределительного типа топливо нагнетается при обкатывании двух или трех плунжеров по кулачковым выступам на внутренней поверхности специальной втулки, а распределение по цилиндрам осуществляет ротор-золотник.

Классическая конструкция форсунки — механическая, с пружинным запиранием иглы и гидравлическим управлением ее подъемом от давления рабочего топлива.

Применяют также гидравлическое запирание иглы и электрическое или электрогидравлическое управление форсункой.

Полный перечень регулировок ТНВД следующий:

- угол опережения впрыска φ_{опер.впр.} до ВМТ цилиндра дизеля;

- φ_{опер.впр.} по всем цилиндрам одновременно;

_ q_ц для данного цилиндра дизеля;

- q_ц по всем цилиндрам одновременно.

Для насосных секций ТНВД распределительного типа с механическим управлением значения φ_{опер.впр.} и q_ц обеспечиваются точностью изготовления деталей.

Рассмотрим некоторые виды наиболее распространенных СУ использующихся на современных автомобилях применительно к теме данного задания.

Топливные системы с кулачковым приводом впрыскивающих плунжеров.

 

Эти системы, в отличие от аккумуляторных, называемые по принятой классификации также системами непосредственного впрыска, базируются на использовании апробированных технических решениях и технологии производства ТПА. Использование электроники в дизелях V12 военных машин Rolls Royce началось с 1978 г., а для гражданской продукции фирмы R.Bosch, Lucas CAV, Stanadyne, Detroit Diesel Allison, Zexel освоили ТПА с электронным управлением с середины 80-х годов [2]. В простейшем случае от традиционной ТПА она может отличаться только заменой механического регулятора на электронный. В этом случае конструкция насосной секции может не иметь новых элементов. Такая ТПА на сегодня подготовлена к широкому использованию, но ввиду множества ограничений имеет меньшие возможности, чем, например, аккумуляторная. Среди подобных решений находим как наиболее простые (насос-форсунки дизелей ГАЗ-560, Volkswaqen), так и наиболее сложные (распределительные ТНВД VP-44, EPIC Lucas).

Наиболее простым и очевидным решением управления топливоподачей явилась разработка системы, где механический регулятор рядного ТНВД заменен электрическим, который управляет работой ТНВД с помощью электромагнитного или электрогидравлического привода, получающего сигналы из ЭБУ. Пример такого ТНВД представлен на рис. 1 — это рядный ТНВД PR 39 фирмы R. Bosch с электронным регулированием подачи и УОВ [1].

Схема электронного управления дизелем с наддувом грузового автомобиля Mercedes-Benz OM442LA с рядным ТНВД представлена на рис. 2. Каналы управления насосом — по цикловой подаче УОВ. Электронный блок управления осуществляет оптимальное в рамках возможностей данной ТПА управление рабочим процессом дизеля с использованием сигналов ТНВД, автомобиля, дизеля коробки перемены передач (КПП) и механизма отбора мощности на внешние агрегаты. Датчик подъема иглы форсунки может отсутствовать. С использованием сигналов датчиков температуры и давления воздуха рассчитывается расход и коэффициент избытка воздуха. Это позволяет предотвратить дымление на рабочих режимах дизеля, включая работу на высоте до 4000 м над уровнем моря при минимальной потере мощности. Отключение подачи на режиме принудительного обеспечивает торможение автомобиля двигателем. Для особых условий движения, например, обгона, СУ допускает кратковременное нарушение ограничений по частоте и цикловой подаче. Она снабжена функциями самодиагностики, сигналы о неисправностях подаются на приборный щиток и запоминаются.

Известны и другие технические решения, реализованные в опытной ТПА. Так, управление рейкой цикловой подачи с помощью быстродействующего электропривода АО «Рыбинские моторы» для 4-секционного ТНВД АО «ЯЗТА», позволяет подавать в каждый цилиндр свою цикловую подачу в соответствии с особенностями его работы. Единая рейка переставляется за цикл работы дизеля 4 раза. Нидерландской фирмой Ship-und Industrial Enqineerinq разработано, а английской фирмой Bryce, входящей в группу Lucas Industries, выпускается ТПА с номинальными цикловыми подачами 3,3…17 г. Такие ТНВД для главных судовых дизелей сохранили рейку управление подачей, но снабжены электроклапаном слива топлива из надигольной полости в начале и конце подачи для регулирования УОВ. Этот принцип регулирования подробно рассмотрен ниже для насос-форсунок.

Использовать традиционный Т НВД с электронным регулированием УОВ позволяет ТПА по схеме проф. Н.Н. Патрахальцева. Дополнительный гибкий клапан, открываемый электромагнитным приводом, установлен у форсунки своим выходом в сторону нагнетательного трубопровода. В начале подачи он открыт за счет питания электромагнита, а подаваемое топливо стравливается на слив. В задаваемый электронным блоком момент питание электромагнита прекращается и под действием пружины и спутного потока топлива клапан закрывается. Так может изменятся УОВ. Дополнительное качество ТПА — гидроудар при «захлопывании» клапана, т.е. повышение давления впрыска в начале подачи.

Еще одна российская разработка — ТПА АОА «Ногинский завод топливной аппаратуры» с ТНВД с электроуправляемым дросселированием на всасывании в надплунжерную полость в период ее наполнения. Изменяя время открытого состояния низконапорного электроклапана, дросселирующего впускное окно втулки плунжера, изменяется наполнение полости. Реальное повышение давления и начало подачи будет определяться моментом окончания сжатия газопаровой фазы, т.е. количеством попавшего в полость топлива. Как и в предыдущем случае, цикловая подача обеспечивается соответствующей подстройкой рейкой подачи. Также обеспечивается возможность повышения давления впрыска, но требуется увеличение запаса ТНВД по производительности.

Дальнейшее развитие ТНВД с Электронным управлением подачей и УОВ, видимо, идет по другому пути — использованию ТНВД с одним электроуправляемым стравливающим клапаном.

Основными недостатками данных систем являются невозможность обеспечить нагнетание топлива только с использованием «полочки» на вершине диаграммы скорости. Тогда при изменении УОВ изменяется средняя скорость плунжера в период нагнетания и закон ее изменения по времени. Как следствие — изменение давления и характеристики впрыска в весьма широком поле допуска при изменении УОВ. Обеспечить оптимальное изменение опережения давления и характеристики впрыска по режимам работы дизеля при их жесткой взаимосвязи принципиально не возможно, но возможно нахождение некоторых компромиссов.

 

ТПА с распределительными насосами.

Одноплунжерные ТНВД с приводом от торцевой кулачковой шайбы типа VE начали производиться фирмой R.Bosch с 1976 г.

ТНВД VE служат для обслуживания дизелей с числом цилиндров 2,4,6 цилиндровой мощностью до 25 кВт, частотой до 5000 мин ^{– 1}, цикловой подачей до 100 мм³, давлением нагнетания до 100 МПа. Возможная комплектация: диаметр плунжера 8…12 мм, ход — 1,5…4 мм.В отличие от механического управления такими ТНВД электронное управление в ТНВД VE осуществляется более просто ввиду наличия встроенного автомата УОВ и меньших перестановочных усилий (рис. 3).

Электронная СУ ТПА с насосом VE изображена на рис. 4. Педаль акселератора водителя является лишь одним из датчиков СУ. Она, по существу является уже СУ двигателя, регулируя давление наддува, рециркуляцию ОГ (заслонкой перепуска), ускоритель пуска и прогрева, также уменьшающего шум на малых нагрузках (заслонкой на впуске). В более современных системах появились датчики температуры и давления атмосферного и наддувочного воздуха, скорости автомобиля, органов управления сцеплением и тормозами. Некоторые датчики перемещены в ТНВД. Электронное управление используется в ТНВД VE фирмы Isuzu, Zexel, Nippon Denso.

К недостаткам данного ТНВД можно отнести ограниченность его применения ввиду их ограниченности по напряжениям в сложном кулачковом приводе в условиях постоянно растущих давлений впрыска. Согласно схеме рис. 4, форсунка первого цилиндра имеет датчик подъема иглы для образования обратной связи по УОВ. Такой контроль УОВ более точен, чем с помощью датчика положения сервопоршня системы регулирования УОВ. Для дизелей конца 90-х годов с открытой камерой сгорания и частотой вращения 4000…4500 мин^–1 фирма R. Boschm выпускает двухпружинные форсунки. Они призваны обеспечить ступенчатость переднего фронта характеристики впрыска. Однако попытки обеспечить ступенчатость характеристики впрыска в целях снижения выбросов NO_x, как показывают результаты расчетов подачи, не удаётся: ступенчатость исчезает при больших нагрузках и при n>3000 мин^–1, т.е. тогда, когда существенны выбросы NO_x, см., например рис.5. При значительном повышении давления усиливаются негативные качества форсунки, а эффект ступенчатости всё равно неустойчив, поэтому такие задачи сейчас не ставят. К негативным свойствам форсунки относятся потери напора в запорном конусе и усиление зависимости режимов работы дизеля от давления впрыска.

Реальным достоинством работы форсунки является значительное снижение шумности работы дизеля на холостом ходу и малых нагрузках.

Наиболее современным вариантом распределительных насосов фирмы R. Bosch является модель VP– 44. Она использована на последних моделях дизелей Opel–Ecotec и Audi V6­– TDI. При n=4200 мин^–1 давление нагнетания в ТНВД достигает 100 МПа, а давление в форсунках — 130…150 МПа и даже 180 МПа. При n=1000 мин^–1обе величины давления близки к 50 МПа. Схема ТС с этим ТНВД представлена на рис.6. Особенностью ТПА является схема её управления, включенная в СУ дизелем. Электронный блок состоит из двух блоков, в частности оконечные каскады питания электромагнитов располагаются на корпусе ТНВД. Форсунка в отличие от рис.6 в обоих дизелях располагается соосно цилиндру дизеля, а в первом цилиндре снабжена датчиком подъёма иглы.

Появление роторного распределительного ТНВД обусловлено тенденцией повышения давления впрыска и ограниченности нагрузок в приводе ТНВД VE.

Фирмой Lucas CAV выпускаются ТС EPIC-70 и EPIC-80 (Eltctronical Proqrammed Injection Control) с роторными ТНВД. Цифры 70 и 80 указывают диаметр кулачной шайбы в мм. ТНВД EPIC-80 обеспечивает давление впрыска до 95 МПа [9, 10].

На рис.7 представлены датчики и исполнительные устройства системы (положения клапана рециркуляции, встроенные в ТНВД датчики положения регулирующих элементов подачи и УОВ, температуры топлива, частоты вала ТНВД, датчик скорости автомобиля (коробки передач), может использоваться датчик хода иглы. Датчики температур — типа NTC, их сопротивление уменьшается примерно вдвое при повышении температуры на каждые 20º.

Насосы EPIC имеют запатентованный фирмой Lucas способ регулирования q_ц изменением холостого хода плунжеров. Здесь сам ротор является поршневым сервомотором, а давление рабочей жидкости в сервомоторе зависит от длитель-

ности импульсов ЭБУ на открытие клапана подачи и клапана стравливания рабочей жидкости (топлива). Сигналы на перемещение ротора ЭБУ подает только между впрысками.

ТС EPIC осуществляет корректирование величины q_ц в зависимости от температуры топлива по сигналам датчика, через ЭБУ.

Механизм регулирования величины φ_{опер.впр.} аналогичен установленному в насосе Bosch, но дополнительно имеется датчик Холла положения сервопоршня исполнительного устройства.

Достоинства системы EPIC: при выходе из строя датчика частоты вала его сигнал замещается сигналом хода иглы, обеспечивает уже при пусковой частоте коленвала 180 мин^–1 давление подкачки 0,3 МПа, а при высоких частотах — 0,8…0,9 МПа, оригинальное решение механизма регулирования цикловой подачи (принципом изменения полного хода плунжеров). На холостом ходу система EPIC обеспечивает индивидуальную подачу по всем цилиндрам. В то же время переход от минимальной подачи к максимальной искусственно демпфируется не период до 0,1 с. Датчик положения коленвала позволяет оперативно диагностировать вырабатываемую каждым цилиндром мощность и корректировать цикловую подачу, добиваясь баланса мощности по цилиндрам.

Особенности: обслуживание ТПА EPIC без специальных приборов и информации невозможно; индивидуальные данные каждой системы регистрируются при изготовлении и заносятся в ЭБУ.

К числу наиболее частых неисправностей относят повышенные утечки в изношенных форсунках, эрозия нагнетательных клапанов, попадание воздуха на всасывание в ТНВД, не герметичность, засорение линии низкого давления.

Заметим, что быстродействие СУ рассмотренными роторными ТНВД позволяет индивидуально, по цилиндрам, изменять подачу топлива на холостом ходу, что обеспечивает низкое значение n_дв без опасности его самопроизвольной остановки из­–за большой неравномерности подач по цилиндрам и низкий уровень шума холостого хода. Самодиагностика ТС с электронным управлением топливной аппаратурой выполняется центральным ЭБУ путем посылки импульса электропитания на компоненты электромагнитного типа и датчики индукционного типа приемом импульса-отклика (импульса ЭДС самоиндукции), либо по омическому сопротивлению электрических и электронных компонентов системы.

ТС с силовым электроприводом и аккумуляторные системы.

Системы с силовым пьезоприводом. Пьезопривод все шире внедряется в технических устройствах, а характеристики пьезоэлектриков резко повышены. Применительно к ТПА он обладает рядом несомненных достоинств: высокие КПД, усилия, малый нагрев, реверсивность, отсутствие тока удержания. Важнейший его недостаток — малые перемещения, устраняется применением современных материалов и механическими мультипликаторами перемещения.

Малость перемещений пьезопривода вынуждает увеличивать диаметр плунжера или мембраны. В связи с этим, а также по ряду других параметров подобная ТПА выглядит наиболее перспективной для впрыска бензина
, чем для дизельных ДВС.

ТПА с электродинамическим двигателем ориентирована на впрыск с помощью плунжерной насосной секции с высокими давлениями. В электродинамическом двигателе при пропускании через катушку импульса тока отталкивающее усилие на немагнитном электропроводном якоре обязано возникающему магнитному полю от вихревых токов, противоположного полю катушки. ТПА наилучшим образом реализуется в виде насос-форсунки или с трубопроводом менее 150…250 мм.

Трудности в создании такой ТПА:кратковременность силового импульса, малый КПД двигателя, неуравновешенность. Первая решается оптимизацией параметров ТПА, вторая — электронными системами с рекуперацией энергии, третья — оппозитной схемой агрегата. Необходим жесткий неэлектропроводный корпус с заливкой диэлектрическими компаундами. Наиболее простой способ регулирования ТНВД — напряжением питания конденсаторов.

Аккумуляторная ТПА с мультипликатором давления (насос-форсунки с гидроприводом плунжера) до середины 90-х годов считались наиболее перспективной аккумуляторной системой с электронным управлением. В этом направлении работали МАДИ [6], ЦНИТА, Воронежский ЛТИ, зарубежные фирмы [1]. Родоначальником таких систем были системы с механическим распределителем.

Предложено много схем мультипликаторов давления с электроуправлением, однако, все они конструктивно сложны, относительно дороги, т.к. содержат дополнительные прецизионные детали, имеют значительные неуравновешенные массы, требующие демпфирования в конечных положениях и имеют определенные ограничения по быстродействию. Можно предположить, что именно из-за этих причин такие аккумуляторные системы не нашли широкого применения. Такие сложные системы оказались еще менее перспективными для автомобильной техники, особенно для дизелей с n >4000 мин ^{– 1}.

Тем не менее фирмы Caterpillar и Perkins разработали аккумуляторную систему с электроуправлением и мультипликацией давления для дизелей автотракторного класса, названную HEUI(Hydraulic Electronic Unit Injection) (рис. 8). С 1992 г. Фирмой Caterpillar она была успешно испытана на ряде дизелей.

Прямое управление иглой электромагнитом, по подобию бензиновых форсунок, для современных дизелей невозможно ввиду значительных давлений топлива и требуемых усилий, предела магнитного насыщения материалов и ограниченности допустимых токов. По этой причине долгое время разрабатывались так называемые электродинамические форсунки [5]. Они имели массивный магнитопровод, подмагничиваемый катушкой возбуждения и подвижную легкую катушку иглы форсунки. Однако имелись трудности обеспечения надежности подвижных электроконтактов, повышенная масса иглы при все же недостаточном силовом воздействии. В результате — невысокое быстродействие и ненадежное запирание иглы при отсутствии подачи. Тем не менее, для непосредственного впрыска бензина более простое прямое управление форсунки применяется.

 

Аккумуляторные топливные системы с электроуправлением типа CR.

 

Распространенным типом аккумуляторной ТС с электронным управлением является ТС Бош типа Common Rail (дословный перевод — общий рельс).

Место системы управления в CR иллюстрируется рис. 9 и рис. 10. На рис. 11 представлены блок-схема систем управления CR фирмы R.Bosch [4]. Состав, структура и функционирование системы управления определяются в соответствии с полученным для данного двигателя законом оптимального управления и другими требованиями. Оптимальный закон управления для каждого режима работы дизеля формулируется в процессе тщательного многофакторного исследования рабочего процесса дизеля. Далее обсуждаются задачи создания системы управления, способы управления характеристиками подачи и разработанные технические решения.

Ранее высказывались мнения, что аккумуляторные системы позволяют получать на всех режимах короткий, почти П-образный закон подачи. Такой впрыск ни по форме закона, ни по уровню давлений не отвечает оптимальным условиям организации рабочего процесса: например, с уменьшением частоты и нагрузки давление впрыска должно существенно снижаться. Между тем, сегодня в дизелях на номинальном режиме, как правило, еще не достигнут оптимальный уровень давления впрыска, при превышении которого показатели рабочего процесса ухудшаются.

Поскольку дозирование топлива осуществляется временем открытия форсунки и изменением Р_акк, для оценки устойчивости и пригодности выбранных параметров ТПА представляет интерес установление зависимости g_ц= f (τ_откр., Р_акк). Сопоставление таковых для различных систем убеждает в их неуниверсальности. Даже, если в CR отсутствует влияние на закон подачи волновых процессов в нагнетательном трубопроводе и зависимость g_ц = f (τ_откр) при средних и больших подачах приближается к линейной, то в области малых подач она существенно нелинейная, даже с кривизной разных знаков. На рис.12 представлена зависимость g_ц = f(τ_откр, Р_акк) CR для дизеля ЗМЗ-514, полученная с помощью программного комплекса «Впрыск» для форсунки с шариковым клапаном с параметрами, предполагающими интенсивные волновые процессы в нагнетательном трубопроводе.

В любом случае сигнал управления форсункой, как показывает практика конструирования CR [3], должен иметь определенную форму. Начальный ток страгивания в CR Bosch обеспечивается разрядом конденсатора с токами до 20 А, [3]затем поддерживается нормальный ток удержания. Опыт КФ ВЗПИ показывает, что повышению закрытия клапана способствует небольшой размагничивающий отрицательный импульс.

Регулирование впрыском с помощью насос-форсунок рассмотрено ниже.

Помимо описанных выше способов регулирования топливоподачи существуют методы регулирования работы ДВС путем изменения фаз газораспределительного механизма (применяются на двигателях автомобилей BMW и Fiat) и управления работой турбокомпрессоров.